(57)【要約】【課題】  超伝導デバイスにおいて、局所的な電流の集中を防止するとともに、安定した高周波伝送特性を実現する。【解決手段】  超伝導フィルタ装置（１）は、所定の形状の超伝導フィルタパターン（１１）が形成されたフィルタデバイス基板（１０）と、前記超伝導フィルタパターン上に搭載される誘電体基板（２０）と、前記誘電体基板上に配置される応力分散部材（２２）と、前記応力分散部材上に配置される剛性の加圧板（２４）とを有する。【選択図】  図３
2006352459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状の超伝導フィルタパターンが形成されたフィルタデバイス基板と、
前記超伝導フィルタパターン上に搭載される誘電体基板と、
前記誘電体基板上に配置される応力分散部材と、
前記応力分散部材上に配置される剛性の加圧板と
を有する超伝導フィルタ装置。
【請求項２】
前記加圧板および応力分散部材を介して、前記誘電体基板に圧力を印加するための加圧手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタ装置。
【請求項３】
前記フィルタデバイス基板を収容するフィルタパッケージと、
前記フィルタパッケージを覆うパッケージカバーと、
前記パッケージカバーを貫通するネジと、
前記ネジに嵌合して前記加圧板を押圧するバネと
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタ装置。
【請求項４】
前記超伝導フィルタパターンは、２つ以上の共振モードを発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超伝導フィルタ装置。
【請求項５】
フィルタデバイス基板上に超伝導材料で所定の形状のフィルタパターンを形成し、
前記フィルタパターン上に誘電体基板を搭載し、
前記誘電体基板上に、応力分散部材を介して加圧板を積層し、
常温で、前記加圧板に圧力を印加して前記フィルタパターンに対する誘電体基板の接触を均一にする
ことを特徴とする超伝導フィルタ装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導フィルタ装置に関し、特に、送信用フィルタパターンでの電流集中を防止するとともに、フィルタパターンにより生じさせる共振の結合状態を均一に保持することのできる超伝導フィルタの実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話の爆発的な普及発展に伴い、高速・大容量の伝送技術が不可欠になってきている。超伝導体は、高周波領域においても、通常の電気的良導体に比べて表面抵抗が非常に小さいため、平面回路型のフィルタにとって有望な方法である。
【０００３】
超伝導フィルタは、携帯電話の基地局用のフィルタとして有望であり、最近では、超伝導体を用いた受信用のフィルタが実用化されてきている。一方、送信用に超伝導フィルタを用いることで、アンプによって発生する歪を取り除く効果が期待でき、送信用フィルタへの適用は、受信フィルタ以上に期待が大きい。
【０００４】
超伝導フィルタは超伝導状態にならないかぎり、銅（Ｃｕ）などの電気良導体に比べて電気抵抗が極めて大きいため、冷却技術が重要になる。酸化物高温超電導体の発見によって、実用化への冷却ハンディは大幅に改善されたものの、冷却技術の開発にも大きな課題が残されている。
【０００５】
特に、送信用フィルタでは大きな電力を扱うため、伝送ロスが熱になってしまい、冷凍機への負荷となってしまうことや、温度が上がりすぎると超伝導状態が崩れてしまい、フィルタとしての機能を失ってしまう。また、送信用フィルタのパターンでは、大電力の信号が通過する際にも電流集中が起こらないように、パターンの工夫が必要である。これらの問題を解決しないと超伝導送信用フィルタの実用化は難しい。
【０００６】
図１（ａ）に、受信用の超伝導フィルタとして一般に用いられるヘアピン型の共振器パターン１０１を示す。このパターンでは、大きな電力が加わると、ヘアピンのカーブしている部分（サークルＣで示す部分）に電力が集中して温度が上昇し、超伝導状態が壊れてしまう。
【０００７】
そこで、送信用フィルタとして、図１（ｂ）に示すディスク型の共振器パターン２０１の一部に切り込み２０３を形成して、Ａ方向とＢ方向の二つの共振を発生させ、その共振を結合させることでフィルタ特性を得るパターンが有望視されている。
【０００８】
図１（ｂ）のディスク型のパターンは、図１（ａ）のペアピン型に比べると電流集中が緩和される。しかし、マイクロ波は導体の表面やエッジに集中しやすい性質を有しているため、送信用のアンプで増幅された大きな電力がこの切り込み部分に電流集中を起こして（電流集中箇所Ｃ）、超伝導状態を壊してしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、さらに電流集中を分散させる方法として、図２のように、フィルタデバイス基板３００に形成された超伝導フィルタパターン（ディスクパターン）３０１上に、積層用の誘電体基板３０３を重ねて配置することによって、電流集中を緩和することが考えられる。しかし、超伝導フィルタデバイス３００をフィルタパッケージ３１０に組み込む際に、積層誘電体基板３０３のコーナー部分を、板バネ等の固定バネ３０５で固定すると、加圧部分から干渉縞３２０が発生する。また、フィルタデバイス基板３００と積層誘電体基板３０３の基板自体の反りなどにより、均一に密着させることが困難である。
【００１０】
フィルタデバイス基板３００上に誘電体基板３０３を均一に配置しないと、ディスクパターン３０１で発生した共振の結合状態が不均一になり、信号の伝送や反射の特性に悪影響を及ぼすおそれがある。これは二つの共振の結合状態に影響を与える誘電体基板３０３の誘電率が不均一になることと、干渉縞３２０の原因となるフィルタデバイス基板３００と積層誘電体基板３０３との間の隙間がばらつくことに起因すると推測される。
【００１１】
そこで、超伝導フィルタパターン上に誘電体を均一に積層する方法が必要となる。
【００１２】
なお、マイクロストリップ型の超伝導共振素子パターンの上方に誘電体基板を配置し、誘電体基板の位置を上下方向に移動させて、共振素子と誘電体基板との間隔を調整する方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。共振素子と誘電体基板の間隔を調整することによって、超伝導デバイス特性を調整するものである。ただし、この文献では、誘電体基板は、電流の集中を防止させるためではなく、基板と基板の間の空間の電磁界分布を調整して共振周波数を調整するために用いられている。
【特許文献１】特開２００２−１４１７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本件特許出願の発明者は、先出願である特願２００４−２１６０９１において、誘電体微粒子を用いて、超伝導フィルタパターン上に誘電体層を均一に積層する方法を提案している。
【００１４】
本件出願では、積層用の誘電体基板を使用しつつ、超伝導フィルタパターン上への誘電体基板の均一な配置を実現し、電流の集中を防止して、信号の反射・通過特性を良好に維持する実装構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明では、超伝導フィルタバターン上に搭載した誘電体基板上に、応力分散材および加圧板をさらに積層し、応力分散部材を介して誘電体基板に圧力をかけることによって、超伝導フィルタパターンに対する誘電体基板の接触を均一にする。
【００１６】
また、誘電体基板に対する加圧は、常温で行なう。
【００１７】
本発明の第１の側面では、超伝導フィルタ装置は、
（ａ）所定の形状の超伝導フィルタパターンが形成されたフィルタデバイス基板と、
（ｂ）前記超伝導フィルタパターン上に積層される誘電体基板と、
（ｃ）前記誘電体基板上に配置される応力分散部材と、
（ｄ）前記応力分散部材上に配置される剛性の加圧板と
を有する。
【００１８】
ひとつの構成例として、フィルタデバイス基板を収容するフィルタパッケージと、このフィルタパッケージを覆うパッケージカバーと、パッケージカバーを貫通するネジと、ネジに嵌合して前記加圧板を押圧するバネとをさらに有する。
【００１９】
応力分散部材としては、たとえば発泡性樹脂などを用いる。
【００２０】
本発明の第２の側面では、超伝導フィルタ装置の作製方法を提供する。この方法は、
（ａ）フィルタデバイス基板上に超伝導材料で所定の形状のフィルタパターンを形成し、
（ｂ）前記フィルタパターン上に誘電体基板を搭載し、
（ｃ）前記誘電体基板上に、応力分散部材を介して加圧板を積層し、
（ｄ）常温で、前記加圧板に圧力を印加して前記フィルタパターンに対する誘電体基板の接触を均一にする工程を含む。
【発明の効果】
【００２１】
上記構成および方法によれば、超伝導回路パターン上に均一に密着する誘電体を搭載することによって、局所的な電流の集中を防止するとともに、安定した高周波伝送特性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。
【００２３】
図３は、本発明の基本構成を示す概略断面図である。表面に超伝導フィルタパターン１１および信号入出力線１２を有するフィルタデバイス１０の上に、電流集中緩和のための誘電体基板２０を積層し、誘電体基板２０上に、応力分散材から成るブロック２２を配置する。さらに応力分散材ブロック２２の上に、剛性の大きい材料の加圧板２４を配置する。これらの積層を、バネなどの力を利用してフィルタデバイス１０に対して加圧することで、誘電体基板２０の積層状態を均一にする。
【００２４】
応力分散材２２としては、たとえば発泡性樹脂等を用い、応力を分散して面接合を良好にする。加圧板２４は、下層に加圧力が均等にかかるように、剛性の高い材料で形成されている。
【００２５】
なお、フィルタデバイス基板１７の裏面には、グランド用電極（グランド膜）１４が形成されている。フィルタデバイス基板１０上の信号入出力線１２は、電極１５に接続され、全体がパッケージ３０内に収容されている。フィルタデバイス１０上の電極１５は、ボンディング３５により、パッケージ３０の同軸コネクタ３６に接続される。
【００２６】
図４は、図３のフィルタデバイス基板１７上に形成される超伝導フィルタパターン１１の一例を示す。超伝導フィルタパターン１１は、ディスク型の形状を有し（以下、適宜「ディスクパターン１１」と称する）、二つの共振モードを生じさせるための切り込み１３を有する。電極１５からディスクパターン１１の近傍まで信号入出力線１２が延びる。
【００２７】
図５は、図３の積層構造を有するフィルタデバイスをパッケージングし、バネの力を利用してフィルタデバイス１０に対する誘電体基板２０の均一配置を実現した超伝導フィルタ装置１の概略構成図である。
【００２８】
フィルタデバイス１０および積層構造全体を収容したパッケージ３０を、パッケージカバー３１で覆う。パッケージカバーの上面を貫通するネジ４２と、ネジ４２に嵌合するバネ４１で、加圧板２４に係る圧力を調整する。ネジ４２をしめることによって圧力が強くなり、ネジ４２を緩めることによって、圧力を緩和する。
【００２９】
図６は、フィルタデバイス基板５０に対する誘電体基板２０の配置を示す。図６（ａ）は加圧前、図６（ｂ）は加圧後の状態である。超伝導フィルタパターンを有するフィルタデバイス基板５０上に誘電体基板２０、応力分散材としての発泡性樹脂２２、および加圧板２４を搭載しただけでは、図６（ａ）に示すように、部位によって、フィルタデバイス基板５０と誘電体基板２０との間に、不均一な空間が存在する。このような状態では、上面から見ると、図２に示したような干渉縞が観察され、超伝導フィルタとしての特性が悪くなる。
【００３０】
これに対して、図６（ｂ）に示すように、剛性のある加圧板２４を介して加圧することによって、フィルタデバイス基板５０と誘電体基板２０の間の不均一な間隙が低減され、フィルタパターン上の誘電率が均一になる。剛性のある加圧板２４を用いることによって、下層に対して均等に圧力が印加され、応力分散部材２２を用いることによって、局所的な応力の発生を防止する。
【００３１】
加圧および圧力調節は、常温で行なう。その後、パッケージングされた超伝導フィルタ装置１全体を冷却する。バネ４１を用いることによって、低温で積層構造が収縮した場合でも、その変化に追従することができ、フィルタパターンに対する誘電体基板２０の均一な配置を維持することができる。
【００３２】
図５に示す超伝導フィルタ装置１を作製するには、まず、図４に示すように、フィルタデバイス基板１７上に超伝導フィルタパターン（ディスクパターン）１１および信号入出力線１２を形成する。フィルタデバイス基板１７として、たとえば２０×２０×０．５ｍｍの単結晶ＭｇＯ基板を用いる。この単結晶ＭｇＯ基板１７の両面に、超伝導膜としてＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）薄膜を、レーザ蒸着法で形成する。ＹＢＣＯ薄膜の膜厚は、適宜選択され、図４の例では０．５μｍである。片面側のＹＢＣＯ薄膜を、フォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、フィルタパターン１１と、信号入出力線１２を形成する。
【００３３】
信号入出力線１２の端部には、同軸コネクタ３６と接続するために、Ａｕ／Ｐｄ／Ｃｒで電極１５を形成する。ＭｇＯ基板１７の他方の面のＹＢＣＯ膜はベタ膜として残し、グランド電極１４とする。このフィルタデバイス１０は、４ＧＨｚ近辺に中心周波数を持ち、帯域幅が約１００ＭＨｚである。
【００３４】
このフィルタデバイス１０を、表面に金メッキを施した金属のフィルタパッケージ３０に収め、金属パッケージ３０に固定した同軸コネクタ３６の中心導体と、フィルタデバイス１０の電極を、ワイヤボンディングにより直径２５μｍの金（Ａｕ）線３５を用いて電気的に接続する。
【００３５】
次に、積層誘電体基板２０として、１８×１８×０．５ｍｍのＬａＡｌＯ3基板を、フィルタデバイス１０のフィルタパターン１１上に搭載し、さらに、応力分散材２２として、１８×１８×５ｍｍの発泡性樹脂、加圧板２４として１８×１８×５ｍｍのＳＵＳ板を積層する。
【００３６】
そして、図５のように高周波シールドするために、加圧用のバネ構造を有するパッケージカバー３１をかぶせ、バネ４１の力を利用して、加圧板２４に５０ｇｆ以上の圧力を加える。このとき、図６に示すように、最初に基板自体の反りなどにより生じていた間隙は、加圧を進めることにより均一化される。もちろん、加圧手段はバネ４１に限定されず、任意の加圧手段を採用できる。
【００３７】
図７は、超伝導フィルタ装置を、移動通信システムの基地局用の送信フィルタとして用いる場合の適用例を示す図である。超伝導フィルタ装置６０は、Ｏリング６５を有する真空断熱容器６１内のコールドプレート６３上に搭載される。真空断熱容器６１内の空間は、真空バルブ６７および真空ポンプ６８により、真空に維持される。コールドプレート６３は冷凍機膨張部６４を介して冷凍機コンプレッサ（不図示）に接続され、真空空間Ｓ全体が冷却される。超伝導フィルタ装置６０は、同軸ケーブル６２により、真空断熱容器６１外のネットワークアナライザ７０に接続される。このような冷却器構造は、通常は基地局の送信アンテナの近傍に設置される。
【００３８】
図８は、超伝導フィルタのフィルタ特性を示すグラフである。図２のように干渉縞が発生する状態では、フィルタデバイスと積層誘電体基板の間には、ａ＝１〜２μｍ程度の不均一な間隙が存在する。このような間隙ａを３種類の異なる状態に設定したシミュレーション結果が図８のグラフである。
【００３９】
図８（ａ）は４ＧＨｚ帯での反射特性を、図８（ｂ）は透過特性を示すグラフである。図中、太い実線は、適切な加圧手段によりフィルタパターンと誘電体基板との間の間隙を実質的に解消（ａ＝０μｍ）した超伝導フィルタ装置の特性、点線は、間隙ａ＝２０μｍに設定したときの特性、細い実線はａ＝５０μｍに設定したときの特性である。
【００４０】
超伝導フィルタパターンと誘電体基板の間に間隔の広い空気層が介在する場合は、通過中心周波数の近傍で、入力された高周波信号が反射されてしまうことが分かる。これに比べ、誘電体基板を均一に密着させた（ａ＝０μｍ）場合は、入力された高周波信号の損失が少ない。
【００４１】
また、透過特性では、間に広い空気層が存在する場合は、２つの共振モードの結合状態が損なわれ、２つのピークが現われる。
【００４２】
図８のグラフは、フィルタを２段にしたときのシミュレーション結果であるが、さらに多段にすると、本発明の超伝導フィルタ装置のスカート特性はより急峻になる。
【００４３】
以上、特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明はこれらの例に限定されない。
【００４４】
たとえば、実施形態では積層誘電体基板としてＬａＡｌＯ3基板を用いたが、これに限定されず、ＣｅＯ2 、ＭｇＯ、ＴｉＯ2 、Ａｌ2Ｏ3 、ＺｒＯ2、サファイアなどを用いてもよい。
【００４５】
また、実施形態では超伝導材料としてＹＢＣＯ薄膜を用いたが、その他のＲＢＣＯ（Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系薄膜、すなわち、Ｒ元素としてＹに代えて、Ｎｂ、Ｙｍ、Ｓｍ、Ｈｏを用いた超伝導材料を用いてもよい。また、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＣＢＣＣＯ（Ｃｕ−Ｂａp−Ｃａq−Ｃｕr−Ｏx、1.5＜ｐ＜2.5、2.5＜ｑ＜3.5、3.5＜ｒ＜4.5）を超伝導材料に用いてもよい。
【００４６】
また、積層誘電体基板の厚さは、０．５ｍｍに限定されず、０．１ｍｍ以上であれば、適宜選択できる。
【００４７】
剛性の大きな加圧板としては、ＳＵＳ（ステンレス）以外の金属、またはセラミックスを用いることができる。
【００４８】
また、実施形態では、ディスク型のフィルタパターンを用いたが、平面回路型のフィルタパターンに本発明の実装構造は適用できる。
【００４９】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）所定の形状の超伝導フィルタパターンが形成されたフィルタデバイス基板と、
前記超伝導フィルタパターン上に積層される誘電体基板と、
前記誘電体基板上に配置される応力分散部材と、
前記応力分散部材上に配置される剛性の加圧板と
を有する超伝導フィルタ装置。
（付記２）  前記加圧板を介して前記誘電体基板に圧力を印加するための加圧手段をさらに有することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記３）  前記フィルタデバイス基板を収容するフィルタパッケージと、
前記フィルタパッケージを覆うパッケージカバーと、
前記パッケージカバーを貫通するネジと、
前記ネジに嵌合して前記加圧板を押圧するバネと
をさらに有することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記４）  前記超伝導フィルタパターンは、２以上の共振モードを生じさせることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の超伝導フィルタ装置。
（付記５）  前記加圧手段はバネであることを特徴とする付記２に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記６）  前記応力分散部材として発泡性樹脂を用いることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記７）  前記加圧板は、金属またはセラミックスであることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記８）  前記誘電体基板の厚さは、０．１ｍｍ以上であることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記９）  前記誘電体基板の材料は、ＬａＡｌＯ3、ＣｅＯ2 、ＭｇＯ、ＴｉＯ2 、Ａｌ2Ｏ3 、ＺｒＯ2、サファイアであることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記１０）  前記超伝導フィルタパターンは、ＲＢＣＯ系（Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ；Ｒ元素は、Ｙ、Ｎｂ、Ｙｍ、Ｓｍ、Ｈｏのいずれか）、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、またはＣＢＣＣＯ（Ｃｕ−Ｂａp−Ｃａq−Ｃｕr−Ｏx、1.5＜ｐ＜2.5、2.5＜ｑ＜3.5、3.5＜ｒ＜4.5）系の材料で形成されることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記１１）フィルタデバイス基板上に超伝導材料で所定の形状のフィルタパターンを形成し、
前記フィルタパターン上に誘電体基板を搭載し、
前記誘電体基板上に、応力分散部材を介して加圧板を積層し、
常温で、前記加圧板に圧力を印加して前記フィルタパターンに対する誘電体基板の接触を均一にする
ことを特徴とする超伝導フィルタ装置の作製方法。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来の超伝導フィルタパターンにおける電流集中の問題を説明するための図である。
【図２】電流集中を緩和するために超伝導フィルタパターン上に誘電体基板を重ねたときの干渉縞の発生を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る超伝導フィルタデバイスの積層誘電体基板の実装構造を示す図である。
【図４】本発明の実施形態で用いた超伝導フィルタパターンの例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る超伝導フィルタ装置の概略断面図である。
【図６】本発明の加圧構造による効果を説明するための図である。
【図７】本発明の超伝導フィルタの適用例を示す図である。
【図８】本発明の超伝導フィルタ装置の効果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１  超伝導フィルタ装置
１０  フィルタデバイス
１１  超伝導フィルタパターン（ディスクパターン）
１２  信号入出力線
１３  切り込み
１７  フィルタデバイス基板
２０  積層誘電体基板
２２  応力分散材
２４  加圧板
４１  バネ
４２  ネジ
３０  フィルタパッケージ
３１  パッケージカバー
【図１】
2006352459.tif 000003
【図２】
2006352459.tif 000004
【図３】
2006352459.tif 000005
【図４】
2006352459.tif 000006
【図５】
2006352459.tif 000007
【図６】
2006352459.tif 000008
【図７】
2006352459.tif 000009
【図８】
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